CN109337391B - 一种共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种共混有机化纳米蒙脱土改性沥青制备方法。为克服单一活性剂改性沥青在多种有机组分的沥青中分散性不良问题，该蒙脱土共混有机化所选用改性剂包括一种长链烷烃活性剂和一种短链烷烃活性剂，其制备方法如下：1)将0.5～1.5CEC(Cation Exchange Capacity)的两种活性剂按一定配比混合，制成共混溶液；2)将蒙脱土溶于水中，一定温度下搅拌，并逐渐滴入共混活性剂溶液至反应结束；3)将反应所得絮状产物抽滤、烘干后研磨、过筛；4)在150‑170℃下将沥青与筛后共混有机化蒙脱土进行高速剪切，即可制得所需耐老化改性沥青。该共混有机化蒙脱土可以与沥青具有更好的相容性，在沥青中具有纳米级分散程度；可以有效提升沥青的抗老化能力。

Description

一种共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法

技术领域

本发明属于改性沥青材料领域，具体涉及一种共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法。

背景技术

沥青作为一种重要的道路材料，广泛应用于国内外高等级公路的建设。而在使用过程中，由于受到氧气、水分、光照、温度等因素作用，沥青发生一系列的挥发、氧化、聚合等反应，使其组成逐渐发生变化，产生老化现象，致使其路用性能逐渐降低，容易引发诸如坑槽、裂缝等道路灾害，影响行车安全。

诸多研究发现，蒙脱土作为一种纳米层状硅酸盐材料，分散在沥青中时，可以有效地阻隔沥青组分与外界发生物质、能量交换，从而有效地改善沥青的抗老化性能，维持沥青的稳定性。然而，蒙脱土作为一种无机矿物，与多种复杂有机物组成的沥青相容性较差，使得蒙脱土在沥青中分散不均，影响其改性效果。而经过有机化的蒙脱土含有有机链，一方面可以增强蒙脱土的层间距，有效增加纳米片层的分散程度，另一方面，有机链可以使其能够更好地与沥青复合，进而提升沥青材料的路用性能。然而，沥青作为一种复杂有机物组成的混合物，含有多种不同性质的组分，有机化蒙脱土并不能很好地分散于沥青中，容易发生团聚等现象，降低了抗老化性能，不利于沥青的实际应用。

发明内容

本发明为解决上述技术问题提供一种共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法，旨在增强蒙脱土在沥青中的分散性，使蒙脱土在沥青中呈剥离态，蒙脱土与沥青结合性更佳，进而提升其抗老化能力，以使其适用于高紫外线强度等恶劣坏境和路用寿命要求较长的路面。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法，包括以下步骤：

1)将1～3重量份干燥的蒙脱土原土分散于40-120份重量份的水中，搅拌并加热，所述蒙脱土原土的质量记为M；

2)取0.5～1.5CEC·M的表面活性剂，分多次逐滴缓慢加入到步骤1)所述加热后的蒙脱土原土分散液中；

3)将步骤2)得到的混合溶液继续在75～85℃恒温搅拌，得到白色絮状的混和溶液；

4)将步骤3)生成的白色絮状混和溶液抽滤，得到固体沉淀；

5)将步骤4)的固体沉淀干燥后研磨过筛，得到共混有机改性蒙脱土粉末；

6)将90～110重量份石油基质沥青加热至140～160℃，倒入高速剪切仪中进行搅拌，分多次加入1～6重量份步骤5)所得到的共混有机改性蒙脱土粉末；

7)将共混有机改性蒙脱土粉末添加完成后，剪切即可得到所需共混有机化纳米蒙脱土改性沥青。

上述方案中，所述步骤2)中的表面活性剂包括长链表面活性剂和短链表面活性剂的混合，所述长链和短链表面活性剂的摩尔比为1:9～9:1。

上述方案中，所述步骤1)中，蒙脱土是Na-基蒙脱土，阳离子交换量为900～1100mmol/kg蒙脱土。

上述方案中，所述步骤1)中，搅拌加热在超声波水浴箱中进行，搅拌速度为100～200r/min，搅拌时间0.5～1h，加热温度为55～65℃。

上述方案中，所述步骤2)中，长链表面活性剂、短链表面活性剂分别为十八烷基季铵盐和十二烷基季铵盐。

上述方案中，所述步骤3)中，搅拌速度为100～200r/min，搅拌时间为6～8h。

上述方案中，所述步骤4)中，抽滤器负压为-0.1MPa。

上述方案中，所述步骤5)中，干燥是在鼓风干燥箱中进行，干燥温度为80～120℃，烘干时间12～24h，研磨后过200目筛。

上述方案中，所述步骤6)中，搅拌速度1000～2000r/min，搅拌时温度保持140～160℃。

上述方案中，所述步骤7)中的剪切是利用高速剪切仪在3000～4000r/min转速下剪切1～2h，温度保持140～160℃。

与现有技术相比，本发明利用不同链长活性剂对Na基蒙脱土进行共混有机化，获得与沥青相容性更好的共混有机化蒙脱土，并用其对沥青进行改性，使其在沥青中具有更好的分散性，获得抗老化性能优异的改性沥青，此改性沥青的抗老化能力优于单一活性剂改性沥青和基质沥青。随着活性剂掺量、配比及蒙脱土掺量的变化，改性沥青的路用性能发生显著性变化，可以用于高紫外线强度、高温等恶劣条件下道路建设，提升沥青路面使用寿命。

附图说明

图1为不同种类、含量改性剂改性蒙脱土XRD图谱。

图2为不同改性剂改性蒙脱土的FTIR图谱。

图3为不同改性蒙脱土改性沥青的DSR频率扫描图(50℃)。

图4为不同改性蒙脱土改性沥青老化后的DSR频率扫描图(50℃)。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

取1g(质量计为M)Na基蒙脱土(阳离子交换量CEC为900～1100mmol/kg蒙脱土，下同)，加入到40g蒸馏水中，在三口烧瓶中以200r/min速率匀速搅拌，并升温至60℃，持续搅拌30min。取0.5CEC·M的十八烷基季铵盐和0.5CEC·M的十二烷基季铵盐，配置成混合溶液，缓慢滴入到分散液中，继续升温至80℃，然后以150r/min速率持续搅拌8h。将分散液静置至分层后真空抽滤，反复洗涤至AgNO₃检测无白色沉淀，得到白色沉淀物，将其置于100℃烘箱中烘干12h，即制得共混有机化蒙脱土。

将烘干后的蒙脱土研磨过200目筛，取100g基质沥青，在150℃下以1200r/min速率匀速搅拌，取5g(掺量为5％)上述共混有机蒙脱土，逐渐加入到沥青中，全部加入后将转速升至3000r/min，高速剪切1h，使得共混有机蒙脱土均匀分散于沥青之中，即完成所需共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备，记为2#。重复2#的制备步骤，不同之处在于：配置共混溶液时，其比例分别选用纯的十八烷基季铵盐(A)，纯的十二烷基季铵盐(B)，将它们分别标号为1#和3#，并参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2017)所要求的三个评价指标评价沥青老化性能，对所制得沥青进行薄膜烘箱老化(TFOT)，其老化前后性能数据如表1所示：

表1实施例1不同沥青老化前后性能

由表1可知，随着活性剂配比的变化，沥青老化后的针入度都相对于基质沥青有所增大，但其残留针入度比增大明显，软化点增量下降明显，延度明显增大，表明此有机化蒙脱土改性后的沥青抗老化性能有明显提升。

对不同活性剂配比的蒙脱土进行X射线衍射分析，其衍射谱如图1所示。可以发现，所有样品都大致维持蒙脱土的结构，随着活性剂的掺入，改性蒙脱土的(001)峰较Na基蒙脱土发生明显的左移，这表明改性蒙脱土的(001)面层层间距增大，共混有机化改性后的蒙脱土较短链活性剂有机改性蒙脱土具有更高的层间距，利于沥青中多种高分子的插入。

对不同活性剂配比的蒙脱土进行红外光谱分析，其图谱如图2所示；图谱中在2920cm^-1和2850cm^-1的红外吸收峰都是活性剂中亚甲基的伸缩振动；随着活性剂种类的变化，其吸收峰强度也发生改变，共混活性剂改性蒙脱土的吸收峰强度介于两种单一活性剂改性蒙脱土吸收峰强度，这表明共混活性剂改性蒙脱土中含有两种表面活性剂。

实施例2

取3g干燥蒙脱土，加入到120g蒸馏水中，在三口烧瓶中以150r/min速率匀速搅拌，并升温至55℃，持续搅拌40min。取0.7CEC·M的十八烷基季铵盐和0.3CEC·M的十二烷基季铵盐，配置成混合溶液，缓慢滴入到分散液中，继续升温至85℃，然后以120r/min速率持续搅拌8h。将分散液静置至分层后抽滤，反复洗涤，得到白色沉淀物，将其置于120℃烘箱中烘干12h，即制得共混有机化蒙脱土。

将烘干后的蒙脱土研磨过200目筛，取200g基质沥青，在160℃下以1200r/min速率高速剪切，取6g(掺量为3％)上述共混有机蒙脱土，逐渐加入到沥青中，全部加入后将转速升至4000r/min，高速剪切1h，使得共混有机化蒙脱土均匀分散与沥青之中，即完成所需共混有机化蒙脱土改性沥青的制备，记为5#。

重复5#的制备步骤，不同之处在于：在掺入共混有机化蒙脱土时，分别为2g(掺量为1％)，10g(掺量为5％)，分别标号为4#，6#，并参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2017)所要求的三个评价指标评价沥青老化性能，对所制得沥青进行薄膜烘箱老化(TFOT)，其老化前后性能数据如表2所示：

表2实施例2不同沥青老化前后性能

表2可以发现，随着改性蒙脱土掺量的增大，沥青老化后的针入度逐渐增大，其残留针入度比增大明显，软化点增量下降明显，延度明显增大，表明改性后的沥青抗老化性能有明显提升，6#掺量蒙脱土改性效果最佳；比较表1，表2可知，十八烷基季铵盐与十二烷基季铵盐的摩尔比例为7：3时所制得的共混有机化蒙脱土改性沥青(6#样品)比1：1时制得的共混有机化蒙脱土改性沥青(2#样品)的延度、针入度参与比都略有增大，抗老化效果更好。

从图3可以看出，随着蒙脱土的掺入，改性沥青的复合模里较基质沥青有明显提升，相应的相位角降低。这是由于蒙脱土、有机化蒙脱土的掺入，增大了沥青材料的内聚力，使得其发生形变所需外力增大，抗形变能力增强。

而在经过TFOT后，所有沥青样品的DSR数据如图4所示，可以发现，原本模量较小的基质沥青，在老化后其模量迅速增大，这是由于在老化过程中，沥青中的轻质组分挥发，导致沥青变硬，从而增大了其复合模量。而掺入了蒙脱土的样品则因为蒙脱土在沥青中的分散及沥青组分与片层状蒙脱土的结合，抑制了沥青中轻质组分挥发，从而增大了沥青的耐老化性能。

测试结果表明，本发明实施例1中所制备的共混有机化蒙脱土改性沥青比基质沥青具有更优良的抗老化能力，相比于单一表面活性剂有机化蒙脱土改性沥青也具有更好的抗老化能力，说明此种改性方法能够有效提升沥青的抗老化能力。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将1~3重量份干燥的蒙脱土原土分散于40-120份重量份的水中，搅拌并加热，所述蒙脱土原土的质量记为M；

2）取0.5~1.5CEC·M的表面活性剂，分多次逐滴缓慢加入到步骤1）加热后得到的蒙脱土原土分散液中，所述表面活性剂包括长链表面活性剂和短链表面活性剂的混合，所述长链和短链表面活性剂的摩尔比为1:9～9:1，所述长链表面活性剂、短链表面活性剂分别为十八烷基季铵盐和十二烷基季铵盐；

3）将步骤2）得到的混合溶液继续在75~85℃恒温搅拌，得到白色絮状的混和溶液；

4）将步骤3）生成的白色絮状混和溶液抽滤，得到固体沉淀；

5）将步骤4）的固体沉淀干燥后研磨过筛，得到共混有机改性蒙脱土粉末；

6）将90~110重量份石油基质沥青加热至140~160℃，倒入高速剪切仪中进行搅拌，分多次加入1~6重量份步骤5）所得到的共混有机改性蒙脱土粉末；

7）将共混有机改性蒙脱土粉末添加完成后，剪切即可得到所需共混有机化纳米蒙脱土改性沥青。

2.根据权利要求1所述的共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，蒙脱土是Na-基蒙脱土，阳离子交换量为900~1100mmol/kg。

3.根据权利要求1所述的共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，搅拌加热在超声波水浴箱中进行，搅拌速度为100~200r/min，搅拌时间0.5~1h，加热温度为55~65℃。

4.根据权利要求1所述的共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，搅拌速度为100~200r/min，搅拌时间为6~8h。

5.根据权利要求1所述的共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中，抽滤负压为-0.1MPa。

6.根据权利要求1所述的共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤5）中，干燥是在鼓风干燥箱中进行，干燥温度为80~120℃，烘干时间12~24h，研磨后过200目筛。

7.根据权利要求1所述的共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤6）中，搅拌速度1000~2000r/min，搅拌时温度保持140~160℃。

8.根据权利要求1所述的共混有机化纳米蒙脱土改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤7）中的剪切是利用高速剪切仪在3000~4000r/min转速下剪切1~2h，温度保持140~160℃。

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